(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１サイクロイド面を有する第１部材と、
前記第１サイクロイド面と接触する第２サイクロイド面を有する第２部材であり、前記第１部材及び前記第２部材にかかる圧縮力が前記第１サイクロイド面と前記第２サイクロイド面の接触によって負担されるところの第２部材と、
前記第１部材及び前記第２部材のうちの１つに接続され且つ前記第１部材及び前記第２部材のうちの１つに力を加えるために引っ張られる腱であり、前記第１部材及び前記第２部材が前記腱を通じて加えられる力に応じたギア動作のために配置されるところの腱と、
を含む機器用手首。
【請求項２】
前記第１サイクロイド面及び前記第２サイクロイド面のうちの１つは、前記第１サイクロイド面及び前記第２サイクロイド面が接触するところにおいて凹状である、
請求項１の手首。
【請求項３】
前記第１サイクロイド面は、外サイクロイド曲線を辿り、且つ、内サイクロイド曲線を辿る前記第２サイクロイド面の部分と接触する部分を有する、
請求項１の手首。
【請求項４】
前記第１部材は、内サイクロイド曲線を辿る部分を有する第３サイクロイド面をさらに含み、
前記第２部材は、前記第３サイクロイド面と接触し、且つ、外サイクロイド曲線を辿る第４サイクロイド面を含む、
請求項３の手首。
【請求項５】
前記第１部材及び前記第２部材のうちの１つに加えられる力に応じたギア動作に対して前記第１サイクロイド面及び前記第２サイクロイド面がスリップするという傾向が、前記力に応じたギア動作に対して前記第３サイクロイド面及び前記第４サイクロイド面がスリップという相反する傾向によって相殺されるように、前記第１サイクロイド面、前記第２サイクロイド面、前記第３サイクロイド面、及び前記第４サイクロイド面が配置される、
請求項４の手首。
【請求項６】
前記第１サイクロイド面及び前記第３サイクロイド面は、前記第１部材の直径に沿って位置付けられ、前記直径の中心から見て同じ側にある、
請求項４の手首。
【請求項７】
前記第１サイクロイド面及び前記第３サイクロイド面は、前記第１部材の直径に沿って位置付けられ、前記直径の中心の両側にある、
請求項４の手首。
【請求項８】
前記第１サイクロイド面は、第１外サイクロイドの部分から第１内サイクロイドの部分に滑らかに推移する、
請求項１の手首。
【請求項９】
前記第２サイクロイド面は、第２内サイクロイドの部分から第２外サイクロイドの部分に滑らかに推移する、
請求項８の手首。
【請求項１０】
前記第１外サイクロイドが前記第２内サイクロイドと接触する位置において、前記第１部材及び前記第２部材は、前記第１部材及び前記第２部材のうちの１つに加えられる力に応じたギア動作に対してスリップする第１傾向を有し、
前記第１内サイクロイドが前記第２外サイクロイドと接触する位置において、前記第１部材及び前記第２部材は、前記力に応じた前記ギア動作に対してスリップする第２傾向を有し、
前記第２傾向は、前記第１傾向に相反する、
請求項９の手首。
【請求項１１】
前記第１部材は、外サイクロイドの部分から内サイクロイドの部分に円滑に推移する第３サイクロイド面をさらに含み、
前記第１サイクロイド面及び前記第３サイクロイド面は、前記第１部材の直径に沿って位置付けられ、前記直径の中心の両側にある、
請求項８の手首。
【請求項１２】
前記第１部材は、第１ギア構造をさらに含み、
前記第２部材は、第２ギア構造をさらに含み、
前記第１サイクロイド面が前記第２サイクロイド面と接触する場合に、前記第１ギア構造は、前記第２ギア構造とかみ合い、前記第１部材及び前記第２部材の１：１の比率の回転をもたらす、
請求項１の手首。
【請求項１３】
前記第１ギア構造は、歯を含み、
前記第２ギア構造は、前記第２部材におけるスロットを含む、
請求項１２の手首。
【請求項１４】
前記第１サイクロイド面は、外サイクロイドを辿る第１部分、及び、内サイクロイドを辿る第２部分を含む、
請求項１の手首。
【請求項１５】
前記第１サイクロイド面は、外サイクロイド及び内サイクロイドのうちの一方を辿る中央部分、及び、内サイクロイド及び外サイクロイドのうちの他方を辿る２つの外側部分を含む、
請求項１の手首。
【請求項１６】
前記第１サイクロイド面は、前記手首の中心軸の周りを回転させられた外サイクロイドの形状の中央部分を含む、
請求項１の手首。
【請求項１７】
前記第２サイクロイド面は、前記手首の中心軸の周りを回転させられた内サイクロイドの形状の中央部分を含む、
請求項１６の手首。
【請求項１８】
前記第１サイクロイド面は、前記第１部材の本体から伸びる突起の表面であり、
前記第２サイクロイド面は、前記第２部材の本体から伸びる突起の表面である、
請求項１の手首。
【請求項１９】
前記第２部材は、前記第２サイクロイド面の反対側にある前記第２部材の面に第３サイクロイド面を含み、
前記手首は、前記第３サイクロイド面と接触する第４サイクロイド面を有する第３部材をさらに含む、
請求項１の手首。
【請求項２０】
前記第１サイクロイド面と前記第２サイクロイド面の接触は、第１傾斜軸の周りの回転のための前記第２部材に対する前記第１部材の動きを制限し、
前記第３サイクロイド面と前記第４サイクロイド面の接触は、前記第１傾斜軸の周りの回転のための前記第２部材に対する前記第３部材の動きを制限する、
請求項１９の手首。
【請求項２１】
前記第１サイクロイド面と前記第２サイクロイド面の接触は、第１傾斜軸の周りの回転のための前記第２部材に対する前記第１部材の動きを制限し、
前記第３サイクロイド面と前記第４サイクロイド面の接触は、前記第１傾斜軸に垂直な第２傾斜軸の周りの回転のための前記第２部材に対する前記第３部材の動きを制限する、
請求項１９の手首。
【請求項２２】
前記第２部材は、鞍形である、
請求項１９の手首。
【請求項２３】
前記第２サイクロイド面及び前記第３サイクロイド面は、同一平面における前記手首の動作軸を交差させるように、前記第２部材上に配置される、
請求項２２の手首。
【請求項２４】
前記第１サイクロイド面、前記第２サイクロイド面、前記第３サイクロイド面、及び前記第４サイクロイド面のそれぞれは、混合サイクロイド面を含む、
請求項１９の手首。
【請求項２５】
前記第１サイクロイド面、前記第２サイクロイド面、前記第３サイクロイド面、及び前記第４サイクロイド面のそれぞれは、段付きサイクロイド面を含む、
請求項１９の手首。
【請求項２６】
前記第１サイクロイド面、前記第２サイクロイド面、前記第３サイクロイド面、及び前記第４サイクロイド面のそれぞれは、前記手首の傾斜軸に平行な平面が直線に沿って該サイクロイド面と交差するように、構成される、
請求項１９の手首。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器用手首に関する。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲的処置のための医療機器はしばしば、遠隔操作される機械的手首又は関節を用いる。いくつかの構成では、手首機構は、鉗子、外科用メス、はさみ、又は、機器のメインチューブの遠位端にある焼灼器具等の器具の一部であり、或いは、その器具を操作し得る。一般的には、複数の腱がその手首機構における医療部材又はディスクに付着し、メインチューブを通じて、メインチューブの近位端にある駆動システムまで伸びる。Cooperらに付与された“Surgical  tool  having  Positively  Positionable  Tendon-Actuated  Multi-Disk  Wrist  Joint”というタイトルの米国特許第６８１７９７４号は、複数のディスクと腱によって制御される手首関節とを含むいくつかの既知の手首機構を記載する。
【０００３】
手首機構のギア動作は、その機構における２つの部材が固定関係又はギア比に応じて変化する相対的な角度配置を有する際の関節をもたらす。例えば、図１Ａは、円形で且つ同じ曲率半径を有する荷重負担面１１２及び１２２を備える部材１１０及び１２０を有する手首関節１００の側面図を示す。円形面１１２及び１２２が互いにスリップすることなく転動する場合に、１：１のギア比を持つギア動作が得られる。スリップを防止するために、部材１１０におけるピン又は歯１１４は、部材１２０における開口部１２４の壁部とかみ合うことができ、図１Ｂに示すように駆動システム（図示せず。）が腱１３０を引っ張り且つ反対の腱１３２を繰り出すときに、部材１１０及び１２０が互いに対してスリップするのを防止することができる。歯１１４は、望ましくは、部材１１０及び１２０の回転範囲全体にわたって歯１１４が開口部１２４に連結され続けるように、形作られ、配置され、且つ、寸法取りされる。関節１００の所望の動きを達成するための腱１３０及び１３２の操作の仕方を決定するコンピュータ又は他の処理システムで、部材１１０及び１２０の動きがモデル化され且つ予測され得るという点で、ギア動作が望ましい。円形の荷重負担面１１２及び１２２は、面１１２及び１２２を定める２つの円の２つの中心の間の隔たりを維持する。それは、結果として生じる動きが容易にモデル化され、且つ、腱１３０及び１３２の対称的な付着が、引っ張られる一方の腱１３０又は１３２の長さが、繰り出される他方の腱１３２又は１３０の長さと等しくなるようにするという点で、望ましい。それ故に、腱１３０及び１３２を操作する駆動システムの構造が単純化され得る。
【０００４】
一般的に、ギアは、ギアの歯が固着することなくかみ合えるようにする様々な表面形状を用いることが知られている。例えば、サイクロイドギアは、サイクロイド曲線を辿る接触面を備える歯を有するギアである。図２は、一対のサイクロイドギア２１０及び２２０を示す。一対のサイクロイドギア２１０及び２２０は、ギア２１０及び２２０の歯が正確にかみ合うのに必要な隔たりを有する軸２１２及び２２２のそれぞれの上に配置される。具体的には、ギア２１０が時計回りに回転するように駆動されると、ギア２１０の表面２１４が、ギア２２０の表面２２４と接触する。表面２１４及び２２４は、ギア２１０及び２２０が回転するときに互いに対して転動するよう形成され、例えば、表面２２４がサイクロイド曲線を辿るようにしながら、表面２１４は平坦となり得る。その後、表面２１６と２２６が接触し、ギア２１０及び２２０は、ギア２１０の次の歯２１８が、ギア２２０の次の歯２２８と接触するまで回転する。ギア２１０及び２２０のようなサイクロイドギアの適切なかみ合いは、軸２１２と２２２の間隔に敏感である。それは、今日において、インボリュート面がはるかに一般的に用いられている主な理由であろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８１７９７４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００６５１０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２に示すようなギアは、それらギアの接触面が大きな圧縮力を負担しないように、軸２１２及び２２２がギア２１０と２２０の間隔を固定しているという点で、図１Ａ及び図１Ｂに示すようなギア付き手首関節と相違する。対照的に、図１Ａ及び図１Ｂの手首関節１００は、医療機器で用いられる場合には、しばしば、（例えば、腱１３０及び１３２の双方の伸長に起因する）部材１１０、１２０の凸状荷重負担面１１２、１２２を平らにする傾向にある圧縮力を負担する必要がある。手首関節１００のような手首関節を含む医療機器はしばしば比較的小さい径（例えば、部材１１０、１２０の径全体が典型的には約３〜１０ｍｍである。）を有し、約１００ポンドの圧縮力を受け得るため、荷重負担面１１２、１２２の変形は重要な関心事である。さらに、手首関節の断面積のほとんどは、腱ガイド、又は、その機器を通って伸びるカメラケーブル若しくは他のシステム等の装置のための１若しくは複数の中央ルーメンのために必要とされ得る。機械構造のための小さな空き空間は、適切な強度と精密さを備えた手首関節１００の製造を困難にする。特に、比較的小さいサイズの歯１１４は、特に手首１００が接触面１１２及び１２２を変形させる荷重を支える場合に、手首動作の両極端で開口部１２４から歯１１４が外れるという結果をもたらし得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様にしたがって、手首機構は、その手首機構に加えられる荷重を負担するサイクロイド面を備えた複数の部材を含む。各部材における接触する一対のサイクロイド面は、それら部材の基準点の間の一定の隔たりを維持するよう配置され、接触するサイクロイド面の複数対が、それら部材のギア動作を確かなものとするために配置され得る。或いは、複数のギア歯は、ギア動作を確かなものとするために、また、外部から加えられるロールトルクに対する手首の耐性を向上させるために、それらの部材に含まれていてもよい。さらに、荷重負担接触領域のそれぞれは、凹状の内サイクロイド面を含んでいてもよく、その凹状の荷重負担面は、許容できない変形なしに圧縮力を負担するための手首関節の能力を増大させ、或いは、所与のサイズ及び荷重負担能力の手首には適さなかった材料の使用を許容し得る。
【０００８】
本発明の特定の実施例にしたがって、機器用手首は、第１サイクロイド面を有する第１部材と、第１サイクロイド面と接触する第二サイクロイド面を有する第２部材とを含む。それらの部材における圧縮力は、第１部材及び第２部材におけるサイクロイド面の接触によって負担される。それらの部材は、腱によってそれらの部材のうちの１つに加えられる力に応じたギア動作のために配置され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】接触する複数の部材にギア動作をさせるためにピン及び開口部を用いる従来の手首関節の側面図を示す図である。
【図１Ｂ】接触する複数の部材にギア動作をさせるためにピン及び開口部を用いる従来の手首関節の側面図を示す図である。
【図２】一対のサイクロイドギアを示す図である。
【図３】ギア動作の際の各中心間の固定的な隔たりを維持する外サイクロイド及び内サイクロイドを示す図である。
【図４】手首関節における荷重を負担し且つ動きを拘束するための段付きサイクロイド面を用いる本発明の実施例にしたがった手首関節を示す図である。
【図５Ａ】荷重を負担し且つ動きを拘束するための混合サイクロイド面を用いる本発明の実施例にしたがった手首関節で用いられる機械的部材を示す図である。
【図５Ｂ】荷重を負担し且つ動きを拘束するための混合サイクロイド面を用いる本発明の実施例にしたがった手首関節で用いられる機械的部材を示す図である。
【図６Ａ】交差する傾斜軸及びコンパクトな手首構造を提供するためのサイクロイド面の配置を可能にする鞍形を有する手首部材を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示すような鞍形の手首部材を用いる多関節手首機構を示す図である。
【図７】コンパクトな構造におけるピッチ運動及びヨー運動の双方をもたらすためのサイクロイド面を用いる２ピース手首関節を示す図である。
【図８】ギア動作を確かなものとするためのサイクロイド荷重負担面及びギア構造を備える複数の関節及び複数の部材を含む本発明の実施例にしたがった手首機構の展開図である。
【図９Ａ】図８の手首機構で用いられる歯付き端部材の側面図である。
【図９Ｂ】図８の手首機構で用いられる歯付き端部材の上面図である。
【図９Ｃ】図８の手首機構で用いられる歯付き端部材の断面図である。
【図９Ｄ】図８の手首機構で用いられる歯付き端部材の断面図である。
【図１０Ａ】図８の手首機構におけるスロット付き部材の側面図である。
【図１０Ｂ】図８の手首機構におけるスロット付き部材の上面図である。
【図１０Ｃ】図８の手首機構におけるスロット付き部材の断面図である。
【図１０Ｄ】図８の手首機構におけるスロット付き部材の断面図である。
【図１１Ａ】図８の手首機構における歯付き中間部材の側面図である。
【図１１Ｂ】図８の手首機構における歯付き中間部材の上面図である。
【図１１Ｃ】図８の手首機構における歯付き中間部材の断面図である。
【図１１Ｄ】図８の手首機構における歯付き中間部材の断面図である。
【図１２】低侵襲医療機器における手首機構を含むロボット制御によるシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
異なる図面における同じ参照記号の使用は、類似の或いは同一のアイテムを示す。
【００１１】
本発明の一態様にしたがって、手首機構における複数の機械的部材は、それら複数の機械的部材のギア動作の際の圧縮を負担するためにサイクロイド面を用いる。具体的には、手首関節は、第２部材における内サイクロイド面と接触する第１部材における外サイクロイド面を用いることができる。定義サイクロイド及びそれらの部材のギア装置におけるパラメータの適切な選択により、そのサイクロイド面は、複数のサイクロイド面が続く複数のサイクロイド曲線の複数の中心に対応する複数の基準点の間の隔たりを維持するために、それら部材の動きを拘束する。それらのサイクロイド面はまた、凹状の接触領域をもたらし、そのことは、駆動システム又は外部の荷重がそれらの部材を押し付けあうときのより少ない変形につながる。第１部材及び第２部材のギア動作は、追加的な荷重負担サイクロイド面を用いて達成されてもよい。具体的には、第１部材における内サイクロイド面と第２部材における外サイクロイド面は、複数の接触領域における正味の力がギア動作を生じさせるように、他の接触領域における力をバランスさせるように働く接触領域を創出し得る。或いは、歯等のギア構造が、ギア動作を確かなものとし、且つ、ロールトルクに対する耐性を向上させるために、それらの部材で用いられてもよい。
【００１２】
本書で用いられる“サイクロイド面”は、その面とある平面とが交わる部分としてサイクロイドの一部を有する面を参照する。サイクロイドは、周知のものであり、一般的に、媒介変数方程式を用いて定義され得る。より視覚的には、サイクロイドは、線又は別の円上を転がる円の上の１点が描く軌跡に相当する。例えば、図３は、半径Ｒの円３１４の外側の周りを転動する半径ｒ（Ｒ＞ｒ）の円３１２上の１点の軌跡に相当する外サイクロイド３１０を示す。内サイクロイド３２０は、半径Ｒ’の大きい方の円３２４の内側の周りを転動する半径ｒ’（Ｒ’＞ｒ’）の円３２２上の１点の軌跡に相当する。記載する円の半径が同じ、すなわち、Ｒ’＝Ｒで且つｒ’＝ｒの条件の下で、外サイクロイド３１０の中心３１５と、内サイクロイド３２０の中心３２５との間の距離は、サイクロイド３１０及び３２０が同じ角速度で回転する場合、すなわち、１：１のギア比のギア動作をする場合、一定のままである（外サイクロイド及び内サイクロイドはまた、他のギア比に関して、一定の中心間の隔たりをもたらすように適合させられてもよい。）。ギア動作の際、サイクロイド３１０及び３２０における接触点が、記載の円３１４及び３２４上にある場合、それらの接触点の間には相対速度が存在しない。しかしながら、一般的に、それらの接触面は、異なる速度で動いており、それらの面は、互いに擦り合う（摺動し合う）。たとえそれらの面が擦り合うとしても、（Ｒ＝Ｒ’の際の）１：１のギア動作は、それら２つの記載の円３１４及び３２４が互いにスリップしないことを確かなものとする。
【００１３】
サイクロイド面及びサイクロイド曲線は、手首関節で用いられる場合には、手首関節における複数の部材の接触面が、腱で支持されるロボット手首のときと同じように、加えられた力がそれらの部材の接触を維持する際の動作のための適切な配置を自然に維持することができるという、一般的な歯付きギアに優る利点を有する。図４は、荷重負担サイクロイド面を用いる転動部材４１０及び４２０を含む手首関節４００を示す。手首関節４００は、複数の同様の関節を含む機械的手首で用いられてもよく、典型的な実施例では、低侵襲医療処置で使用され得る医療機器に組み込まれる。手首関節４００において、部材４１０及び４２０のそれぞれは、機器の長さに沿って延び得る中央ルーメンの一部を定める中央穴４１５又は４２５を備えた実質的にディスク形状の本体を有する。ディスク４１０及び４２０のそれぞれは、手首関節４００の特定の用途に関する、特に手首機構のサイズ及び予期される荷重に対する十分な強度と耐久性をもたらす任意の材料で生成され得る。手首部材４１０及び４２０は、より高荷重の用途では、特に手首径が約５ｍｍよりも小さい場合には、ステンレス鋼等の金属でなければならない場合がある。プラスチック又はセラミック等の材料は、より大きな径の手首機構又はより低荷重の条件で使用され得る。以下でより詳細に記載されるように、手首関節４００の利点は、圧縮歪みへの耐性であり、この耐性は、円形の荷重負担面を用いて実現されるものよりも小さい径及び／又は中央ルーメンを有する電気絶縁性手首でのプラスチック又はセラミック等の材料の使用を可能にし得る。絶縁性手首機構は、電気的にチャージされる又は電気的に作動させられるツール若しくはエンドエフェクタを含む医療機器において特に望ましい。概して、その手首は、それらの力又は仕事に応じて拡大縮小され得る。
【００１４】
ディスク４１０は、ディスク４２０における突起４２２、４２４、４２６、及び４２８のそれぞれのサイクロイド面に接触するサイクロイド面を備えた突起４１２、４１４、４１６、及び４１８を有する。突起４１２、４１４、４１６、及び４１８は、突起４１２及び４１８がディスク４１０の外周の両端の近くに存在し或いはその両端まで及び、且つ、突起４１４及び４１６が中央穴４１５の両端の近くに存在し或いはその両端まで及ぶように、ディスク４１０の直径に沿って配置される。同様に、突起４２２、４２４、４２６、及び４２８は、突起４２２及び４２８がディスク４２０の外周の両端の近くに存在し或いはその両端まで及び、且つ、突起４２４及び４２６が、ディスク４２０を通る中央穴４２５の両端の近くに存在し或いはその両端まで及ぶように、ディスク４２０の直径に沿って配置される。図示される実施例では、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８は、接触する突起４２２、４２４、４２６、及び４２８における内サイクロイド面又は外サイクロイド面のそれぞれに相補的な外サイクロイド面又は内サイクロイド面である中央部分を含む。突起４１２、４１４、４１６、及び４１８におけるそれらの中央サイクロイド部分は、各サイクロイドの部分を辿り、それらサイクロイドの中心は全て、傾斜軸の方向を定める線に沿って位置する。同様に、突起４２２、４２４、４２６、及び４２８におけるそれら中央サイクロイド部分は、各サイクロイドの部分を辿り、それらサイクロイドの中心は、その傾斜軸に平行な線に沿って位置する。適切なギア比のギア動作の下でディスク４１０がディスク４２０に対して傾斜する場合、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８のサイクロイド面は、突起４２２、４２４、４２６、及び４２８のサイクロイド面と接触したままであり、それら表面定義サイクロイドの中心に対応する基準点又は基準線の間の固定的な隔たりを維持する。それら突起の高さは、部材４１０及び４２０の本体部分が互いに接触してさらなる動きを阻むまでの傾斜のための隙間を提供する。
【００１５】
ディスク４１０及び４２０は、医療機器の中央ルーメンのための中央穴４１５及び４２５を有することに加え、関節４００と関節４００を通ってその医療機器の他の部分まで伸びる腱（図示せず。）とを接合する腱４５１及び４５２のためのガイド穴４１３及び４２３を含む。腱４５１及び４５２は、ケーブル、フィラメント、チューブ、又は、その機器内で必要に応じて曲げるのに十分に柔軟で且つ部材４１０を部材４２０に関して傾斜させるために関節４００を関節接合する力を加えるのに十分に強い同様の構造であってもよい。図示されるように、腱４５１及び４５２は、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８が沿うように配置される直径に関して向かい合うモーメントアームのところで、部材４１０に付着する。そして、駆動システム（図示せず。）は、部材４２０に関して一方の方向に部材４１０を傾斜させるために腱４５１及び４５２の一方を引っ張り（すなわち、張力を増大させ）、或いは、反対方向に部材４１０を傾斜させるために腱４５１及び４５２の他方を引っ張る（すなわち張力を増大させる）ことができる。概して、腱４５１及び４５２は、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８が突起４２２、４２４、４２６、及び４２８のそれぞれとの接触を維持するように、部材４１０及び４２０を一緒にするプレロード張力を有する。
【００１６】
ギア動作は、複数の接触領域における外サイクロイド面及び内サイクロイド面の配置によって、手首機構４００において維持される。具体的には、突起４１２は、突起４２２における適合する内サイクロイド部分と接触する中央外サイクロイド部分を有する。部材４１０を傾斜させるために腱４５１又は４５２が引っ張られると、突起４１２の外サイクロイド面は、突起４２２の内サイクロイド面上を転動する。仮に突起４１２及び４２２が孤立システムであった場合、すなわち、突起４１４、４１６、４１８、４２４、４２６、及び４２８が存在しなかった場合、突起４１２及び４２２は、ギア動作に対してスリップするであろう。しかしながら、突起４１４及び４２４の接触のところで、外サイクロイド面が部材４２０上にあり、且つ、部材４１０上の内サイクロイド面と接触する。結果として、突起４１２及び４２２の接触がギア動作に対してスリップする傾向は、突起４１４及び４２４の接触が反対方向にスリップするという正反対の傾向によって打ち消される。手首関節４００において、それらの突起における接触するサイクロイド面は、腱４５１及び４５２が手首関節４００を関節接合する場合に、部材４１０及び４２０のギア動作を集合的に維持するという、スリップをバランスさせる傾向を有する。
【００１７】
中央サイクロイド面を互いに接触させながらのディスク４２０に対するディスク４１０の角運動の範囲は、それらのサイクロイド面を定義するパラメータに依存する。具体的には、図３では、外サイクロイド３１０は、４つの内サイクロイド突出部（内サイクロイドローブ）に合わせられる４つの外サイクロイドローブを創出する、Ｒ＝４ｒとなるようなパラメータＲ及びｒを有し、外サイクロイド３１０のローブの１つに対する内サイクロイド３２０の接触を維持する外サイクロイド３１０のギア回転は、最大で９０度、すなわち、±４５度までの角度範囲を提供し得る。手首関節４００では、より多くのローブを有する複数のサイクロイドに基づく複数のサイクロイド面が望ましい。突起４１２、４１４、４１６、及び４１８のサイズ目標又は制限、及び、各ローブがより小さい角度範囲を有する場合のギア動作中の接触面における擦れの低減のためである。動作範囲は、典型的には、手首機構のための設計へのインプットであり、定義サイクロイドにおけるローブの数、及び、各ローブの角度範囲を選定することは、特定の用途のための手首の最適化の問題となり得る。一実施例では、各ローブのサイズ、例えば、中央サイクロイド面のサイズは、所要の動作範囲の約半分であり、それは、実用的で且つ製造可能な構造をもたらし、２２．５度のサイクロイド（すなわち、外サイクロイド又は内サイクロイド全体で１６個のローブ）は、外サイクロイド又は内サイクロイドの中央面からその中央面の両側における２つの内サクロイド面又は２つの外サイクロイド面に各突起が円滑に移行する場合に、±４５度の動作範囲によく適している。突起上の外サイクロイド面及び内サイクロイド面は、同じ中心点並びに半径パラメータＲ及びｒを有するサイクロイドの一部を辿る。相補的な面を提供するために、突起４２２は、それらの面を定めるサイクロイドの全てが同じ中心点並びに半径パラメータＲ及びｒを有するところの２つの外側の外サイクロイド面に円滑に移行する中央内サイクロイド面を含む。
【００１８】
突起４１２、４１４、４１６、４１８、４２２、４２４、４２６、及び４２８におけるサイクロイド面のそれぞれは、手首関節４００の傾斜軸に平行な平面が、直線に沿ってそのサイクロイド面と交わり、且つ、その傾斜軸に垂直な平面が、上述のようなサイクロイド曲線又は連結サイクロイド曲線に沿ってそのサイクロイド面と交わるようにする。この構成により、手首関節４００は、動作の一自由度、例えば、ディスク４２０に対するディスク４１０の傾斜角をもたらす。多関節手首機構では、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８と同様の追加的な複数の突起（図示せず。）がディスク４１０の裏面に追加され、ディスク４２０と同様の或いは同一のディスクにおける複数の突起とかみ合わされ得る。ディスク４１０の裏に追加される複数の突起が、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８と同じようにディスク４１０の直径に沿う場合、その追加的な手首関節は、単一の手首関節４００がもたらすものよりも大きい傾斜範囲をもたらすことができる。或いは、ディスク４１０の裏に追加された複数の突起が、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８が配置されるところの直径に垂直な直径に沿う場合、その一対の関節は、動作の二自由度、例えば、ピッチ及びヨーをもたらすことができる。
【００１９】
手首関節４００は、複数の荷重負担面（すなわち、内サイクロイド面）のうちの少なくとも１つが凹状となるように、内サイクロイド面と接触する外サイクロイド面を用いて動作する。これは、それらの面が、圧縮力をも支持するため、例えば、関節接合する腱４５１及び４５２における張力、並びに、手首関節４００を含む機器に加えられる外力にも対処するため、望ましい。それら凹状の面は、概して、受け入れ難いほど変形するまでに凸状の面が耐えることができる力より大きい力に耐えることができる。例えば、互いに転動し且つ中心点間の隔たりを維持するために円形の面が用いられる場合、接触面の双方が凸状となり、荷重が加えられた場合により容易に平らにされてしまう。その変形は、特に、セラミック等のより弾力性の小さい材料がその手首関節に用いられる場合に、その荷重負担構造を損傷し或いは押し潰し得る。
【００２０】
手首関節４００の別の望ましい特徴は、突起４１２、４１４、４１６、及び４１８、並びに、４２２、４２４、４２６、及び４２８が、中央外サイクロイド面と中央内サイクロイド面とを交互に有するという点にある。突起４１２、４２４、４２６、及び４１８における背の高いほうの部分がかみ合い、ディスク４１０が、ディスク４２０に対し、傾斜軸の方向に沿って横向きに滑るのを防止することができる。
【００２１】
図５Ａは、混合サイクロイド面を有する突起５１３及び５１７を用いる部材すなわちディスク５１０を示す。具体的には、突起５１３は、（ディスク５１０の外周の近くにある）外サイクロイド曲線である外側エッジ５１２と、（中央穴５１５の近くにある）内サイクロイドである内側エッジ５１４とを有する。エッジ５１２と５１４との間の混合面は、適合する角度パラメータθの値を有する、外サイクロイドエッジ５１２上の点と内サイクロイドエッジ５１４上の点とを接続する複数の線を含む。なお、角度パラメータθは、サイクロイド曲線５１２又は５１４を定めるために用いられる小さいほうの円の相対回転を表す。突起５１７も同様に、ディスク５１０の外周のところの外サイクロイド曲線５１８から、中央穴５１５の端のところの内サイクロイド曲線５１６に推移する混合面を有する。
【００２２】
図５Ｂは、ディスク５２０の直径に沿って一直線に並べられ且つ図５Ａのディスク５１０の混合面におけるギア動作のために設計される混合面を備える突起５２３及び５２７を有するディスク５２０を示す。突起５２３における混合面は、ディスク５２０の外周のところの内サイクロイド曲線５２２から、ディスク５２０を通る中央穴５２５の外周のところにある外サイクロイド曲線５２４に滑らかに推移する。同様に、突起５２７における混合面は、ディスク５２０の外周のところにある内サイクロイド曲線５２８から、ディスク５２０を通る中央穴５２５の外周のところにある外サイクロイド曲線５２６に滑らかに推移する。ディスク５２０における外側の内サイクロイド曲線５２２及び５２８は、ディスク５１０における外側の外サイクロイド曲線５１２及び５１８に対して相補的であり、また、ディスク５２０における内側の外サイクロイド曲線５２４及び５２６は、ディスク５１０における内側の内サイクロイド曲線５１４及び５１６に対して相補的である。
【００２３】
ディスク５１０は、ディスク５２０における突起５２３及び５２７と接触する突起５１３及び５１７の混合面で支えられる場合、ディスク５２０上を転動でき、また、相補的なサイクロイド曲線は、ディスク５２０に対してディスク５１０を傾斜させるために円形の物体が互いに転動し合うのと同じような態様で、ディスク５１０及び５２０の動きを制限する。さらに、混合面における向かい合うエッジにおける接触点がギア動作に対してスリップする傾向は、相殺し合い、そして、一緒になってギア動作を維持する。その一方で、突起５１３、５１７、５２３、及び５２７における交互に並ぶ高い部分は、ディスク５１０及び５２０が傾斜軸の方向に沿ってスリップするのを阻む。それら混合面はまた、従来の円形面の接触による圧縮支持能力よりも良好な圧縮支持能力をもたらすことができる。具体的には、それら混合面は、湾曲によって分離される凹状部分及び凸状部分を有し、２つの相補的な混合面の接触は、第１混合面の凸状面が第２混合面の凹状部又は平坦部と接触するところである第１領域、第１混合面の凸状部分と第２混合面の凸状部分とが互いに接触するところである第２領域、及び、第１混合面の凹状面又は平坦面が第２混合面の凸状部分と接触するところである第３領域を含む。凹状面との接触は、圧縮力を支持する手首関節の能力を向上させることができる。
【００２４】
ディスク５２０は、裏側において、突起５２３及び５２７が並ぶ直径と同じ直径に沿って配置される２つの突起５２１（図５Ｂではそのうちの１つが見えている。）を有する。図示される実施例では、突起５２１は、突起５２３及び５２７における混合面と同じ混合面を有し、それ故に、図５Ａのディスク５１０における突起５１３及び５１７の混合面に対して相補的である。３部材型手首関節は、ディスク５２０の突起５２３及び５２７のそれぞれと接触する突起５１３及び５１７を備えるディスク５１０と、ディスク５２０の２つの突起５２１と接触する突起５１３及び５１７を備えるディスク５１０の同一の複製物とを用いて形成され得る。この３部材構造は２つの関節をもたらし、２つの関節の双方は、同一方向の軸の周りを傾斜し、また、その３部材型手首機構は、単一の手首関節よりも大きい傾斜範囲をもたらすことができる。
【００２５】
ディスク５１０はまた、裏側において、２つの突起５１１（図５Ａではそのうちの１つが見えている。）を有する。しかし、突起５１１は、突起５１３及び５１７が沿うように配置される直径に垂直な直径に沿って配置される。図示される実施例では、突起５１１は、突起５１３及び５１７における混合面と同じ混合面を有し、ディスク５２０の突起５２３及び５２７における混合面に対して相補的である。それ故に、３部材型手首関節は、ディスク５１０の突起５１３及び５１７のそれぞれと接触する突起５２３及び５２７を備える部材５２０と、ディスク５１０の突起５１１と接触する突起５２３及び５２７を備える部材５２０の同一の複製物とを用いて形成され得る。この３部材型手首機構は、Ｕジョイントの機能を果たし、動作の二自由度をもたらす。動作の二自由度のうちの一方は、突起５１３及び５１７の配置によって定められる軸の周りの傾斜に対応し、他方は、突起５１１の配置によって定められる軸の周りの傾斜に対応する。
【００２６】
図６Ａは、ディスク５１０のように、第１傾斜軸のために配置されるサイクロイド面６１２及び６１４の第１ペアと、第１傾斜軸に垂直な第二傾斜軸のために配置されるサイクロイド面６１６及び６１８の第２ペアとを有する部材６１０を示す。図示される実施例では、面６１２、６１４、６１６、及び６１８のそれぞれは、外側の外サイクロイド曲線から内側の内サイクロイド曲線に滑らかに推移する混合面である。別の実施例では、面６１２、６１４、６１６、及び６１８のうちの任意のものが、外側の内サイクロイド曲線から内側の外サイクロイド曲線に推移する混合面であってもよく、外サイクロイド部分と内サイクロイド部分を有する段付き面であってもよく、外サイクロイド面であってもよく、或いは、内サイクロイド面であってもよい。部材６１０は、サイクロイド面６１２、６１４、６１６、及び６１８によって定められる２つの垂直な傾斜軸が、よりコンパクトな構造、すなわち、よりコンパクトなユニバーサルジョイント（Ｕジョイント）において提供され得るように、サイクロイド面が突起上になく、全体的な鞍形に組み込まれている点で、ディスク５１０と相違する。理想的には、それらの垂直な傾斜軸は、同一平面上で交差する。交差する傾斜軸は、コンピュータ制御のシステムにとって有利となり得る。コンピュータモデルが、交差する軸を有する複合関節の制御及び動作を記述するための厳密解をもたらすことができるためである。
【００２７】
図６Ｂは、図６Ａに示すタイプの部材６１０を３つ含む手首機構６００を示す。部材６１０は、中間部材６２１及び６２２又は端部材６３０及び６３３における相補的なサイクロイド面とかみ合わされるサイクロイド面を有する。部材６２１及び６２２は、概して、図５Ｂの部材５２０と同様であるが、部材６２１及び６２２のそれぞれにおけるサイクロイド面を有する突起は、その部材の外周から内側にオフセットされており、部材６２１及び６２２が、それらの突起の外側にあるリング領域において腱用のガイド穴を有することができるようにしている。端部材６３０及び６３３のそれぞれは、一方の側に部材６２１及び６２２における突起と同じ突起を備え、反対側が機器（図示せず。）のメインチューブ又は延長部材６４０に接続されるように構成される。部材６１０は、腱のリングの中に適合し、且つ、腱を遮ることなく部材６２１、６２２、６３０、又は６３３における突起とかみ合うように寸法が決められる。メインチューブ又は延長部材６４０は、直接的に或いは間接的に、腱６５１、６５２、及び６５３を制御する駆動機構（図示せず。）に付着してもよい。
【００２８】
部材６２１に付着するようにメインチューブ６４０及び端部材６３０を通って伸びる腱６５１は、端部材６３０、鞍形部材６１０、及び中間部材６２１を含む３部材型手首関節を制御する。この３部材型手首関節は、部材６２１を傾斜させるための二自由度を提供し、少なくとも３つの腱６５１を用いて作動させられ得る。部材６２２に付着するようにメインチューブ６４０、端部材６３０、及び部材６２１を通って伸びる３つの腱６５２は、部材６２１、６１０、及び６２２を含む３部材型Ｕジョイントを制御するために使用され得る。同様に、端部材６３３に付着するようにメインチューブ６４０、端部材６３０、部材６２１、及び部材６２２を通って伸びる３つの腱６５３は、部材６２２、６１０、及び６３３を含む３部材型Ｕジョイントを制御し得る。このように、手首機構６００は、手首機構６００の形状及び端部材６３３の配置の複雑な操作を可能にする３つのＵジョイントを制御するために９つの腱を用いる。図６Ｂは、手首機構６００が単純な９０度の屈曲をもたらす形態を示す。一実施例では、上部の２つの鞍６１０を含む機構６００の一部が二自由度の±９０度の手首を形成する。残りの鞍６１０は、拡張部材６４０の両側にある一対の肘関節における上部肘関節の一部である。各肘は、±４５度の動作範囲を有し、それら２つの肘は、拡張部材６４０が、２００７年６月１３日に出願された“Surgical  Instrument  with  Parallel  Motion  Mechanism”というタイトルの米国特許出願公開第２００８／００６５１０２号に記載されるような“joggle  joint”の一部である場合におけるそのメインチューブに平行なままとなるように構築される。サイクロイドを備える部材は、機構６００において、端部材６３３に取り付けられるツールのｘ、ｙ、ｚ、及び、ロール、ピッチ、ヨーを位置決めする完全な６自由度を創出するために用いられる。
【００２９】
手首関節において部材を傾斜させるための二自由度は、荷重負担サイクロイド面を有する２部材構造を用いて実現され得る。例えば、図７は、２つの部材すなわちディスク７１０及び７２０を含む手首関節７００を示す。ディスク７１０は、サイクロイド面７１４を備えた突起７１２を有する。サイクロイド面７１４は、中心線の周りの外サイクロイド曲線の回転によって掃引される表面に相当する中央部分を有する。ディスク７２０は、サイクロイド面７１４に対して相補的なサイクロイド面７２４を備える突起７２２を有する。具体的には、サイクロイド面７２４における少なくとも１つの中央部分は、内サイクロイド曲線が中心線周りに回転させられたときに内サイクロイド曲線が掃引する表面に相当し、また、少なくとも面７２４の中央部分を定義するために用いられる内サイクロイド曲線は、面７１４の中央部分を定義するために用いられる外サイクロイド曲線に対して相補的である。より一般的には、より大きい動作範囲を受け入れるために、回転面７１４及び７２４を定義するために用いられる曲線は、内サイクロイド又は外サイクロイドの２つの部分の間にある外サイクロイド又は内サイクロイドの一部を含み得る。なお、ここでは、サイクロイドの全てが同じ中心並びに半径パラメータＲ及びｒを有するものとする。相補的なサイクロイド面７１４及び７２４は、１次元に沿った転動に限定されることはなく、部材７２０に対して部材７１０を傾斜させるための２自由度をもたらす。それ故に、３つの腱７３０は、部材７２０に対する部材７１０のピッチ及びヨーを制御するために使用され得る。
【００３０】
上述の手首関節は、荷重を負担し、基準点間の距離を保ち、且つ、ギア動作を確かなものとするために、サイクロイド面を用いることができる。しかしながら、本発明の別の態様にしたがって、荷重負担サイクロイド面を有する手首関節はまた、ギア動作を確かなものとし、且つ、その手首のロール軸周りのトルク（ロールトルク）に対する手首関節の耐性を向上させるためのギア装置を採用してもよい。図８は、荷重負担サイクロイド面を用いる各関節における１：１のギア動作を確かなものとするためのギア装置を採用する多関節手首機構８００を示す。手首機構８００は、歯付き端部材８２０、スロット付き部材８３０、歯付き中間部材８４０、及びエクステンション８５０を含む。
【００３１】
端部材８２０は、エクステンション８５０、メインチューブ（図示せず。）、ツール（図示せず。例えば、外科的エンドエフェクタである。）等の別の構造への固定的な接続のために形成される一面を有する。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、及び図９Ｄは、歯付き端部材８２０の実施例のさらなる詳細を示す。具体的には、図９Ａは、ギア歯８２２の外形を示す、歯付き端部材８２０の側面図である。図９Ｂの上面図に示すように、端部材８２０は、部材８２０の外周上の向かい合う場所に位置付けられる２つの歯８２２を有する。図９Ｂはまた、歯８２２の内側に、部材８２０を貫く中央穴８２５に隣接して配置される荷重負担サイクロイド面を有する突起８２４を示す。部材８２０を貫く複数の穴８２３は、腱のためのガイドを提供する。切断線Ｃ−Ｃ及びＤ−Ｄは、図９Ｃ及び図９Ｄに示す部材８２０の断面図の相対的な配置を示す。図９Ｃは、歯８２２及び突起８２４がどのようにして直径すなわち部材８２０に沿って整列されるのかを説明する、部材８２０の断面図を示す。それらのサイクロイド面は、１列に並べられる中心点を有する複数のサイクロイドの部分を辿り、且つ、部材８２０を含む手首関節のための傾斜軸の方向を定める。図９Ｄは、突起８２４におけるサイクロイド面の概観を提供する断面を示す。図示される実施例では、突起８２４におけるサイクロイド面は、中央内サイクロイド面を含むが、他のタイプのサイクロイド面、段付き面、又は混合面が代替的に用いられてもよい。歯８２２は、関節にかかる圧縮荷重の大部分を負担することはなく、隣接するディスクのギア動作を確かなものとし、且つ、ロールトルクに耐えるために用いられる。歯８２２は、サイクロイドピンギアの一部となり、図２に示すサイクロイドギア歯と同様のサイクロイドギア歯の形状を有していてもよい。或いは、歯８２２は、歯８２２とかみ合うノッチが相応に形成される場合のインボリュートギアの歯と同じように形成されてもよい。図示される実施例では、関節動作の範囲が±４５度であるため、１つの歯が必要なだけであるが、それらの部材のギア動作を確かなものとするために、ギアのより広い部分が代わりに用いられてもよい。
【００３２】
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄは、手首関節を形成するために端部材８２０とかみ合うように設計されるスロット付き部材８３０の実施例の詳細を示す。図１０Ａは、スロット付き部材８３０の側面図である。部材８３０の底面は、端部材８２０における突起８２４のサイクロイド面に対して相補的であるサイクロイド面を有する突起８３２を有する。図１０Ｄは、図示される実施例において、底部突起８３４が中央外サイクロイド部分を有することを示す。突起８３４におけるサイクロイド面は、一直線に並べられ、且つ、底部突起８３４と接触する部材と共に創出される手首関節のための第１傾斜軸を定める複数の中心を有する複数のサイクロイドの複数の部分を辿る。部材８３０はまた、部材８３０の底部に向かって開かれ、部材８２０における歯８２２とかみ合うように配置され且つ形成されるノッチすなわちスロット８３２を有する（或いは、部材８３０は、部材８２０におけるノッチとかみ合う歯を含んでいてもよい）。図１０Ｂに示すように、部材８３０のそれぞれの上面はまた、スロット８３６及び突起８３８を含む。図１０Ａ及び図１０Ｃに示すように、突起８３８は、図示される実施例の部材８２０における突起８２４と同じ、中央内サイクロイド部分を備えるサイクロイド面を有する。しかしながら、突起８３８のサイクロイド面は、底部突起８３４によって定められる第１傾斜軸に垂直な第２傾斜軸を定めるように一直線に並べられる複数の中心を有する複数のサイクロイドの複数の部分である。したがって、部材８３０は、Ｕジョイントにおける中央部材として使用され得る。図１０Ｂはまた、機器における中央ルーメンのための中央穴８３５、及び、複数の腱のための複数のガイド穴８３３を部材８３０が含むことを示す。
【００３３】
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、及び図１１Ｄは、歯付き中間部材８４０の実施例の詳細を示す。歯付き中間部材８４０のそれぞれは上面及び底面を有し、それらの双方は端部材８２０の上面と実質的に等しい。図１１Ａは、部材の側面図を示し、歯８２２のように、スロット付き部材８３０におけるスロット８３２又は８３４とかみ合うように形成され且つ配置される上歯８４２及び底歯８４６の外形を示す（或いは、部材８３０が部材８４０におけるノッチとかみ合う歯を含んでいてもよい。）。図１１Ｂは、歯８４２、ガイド穴８４３、突起８４４、及び中央穴８４５の相対位置を示す、部材８４０の上面図である。部材８４０の底面は、ガイド穴８４３及び中央穴８４５に対する歯８４６及び突起８４８の同様の配置を有する。
【００３４】
図１１Ｃに示すように、突起８４４及び歯８４２は、歯８４６及び突起８４８がその上に並べられる部材８４０の直径と同じ直径上に並べられる。突起８４４及び８４８は、同じ傾斜軸方向を定めるように並べられる複数のサイクロイド面を有する。しかしながら、図１１Ｄで見られるように、図示される実施例では、突起８４４のサイクロイド面は、内サイクロイドの中央部分を有し、一方で、突起８４８は、相補的な外サイクロイドの中央部分を有する。
【００３５】
図８の多関節手首機構８００は、腱によって支持される手首機構における部材８２０、８３０、及び８４０の使用に関する一形態を示す。手首機構８００の左から始まり、端部材８２０は、医療機器におけるツールの取り付けのためのベースとして使用され得る。端部材８２０は、スロット付き部材８３０における底部スロット８３２及び底部突起８３４とかみ合う歯８２２及び突起８２４を有する。スロット付き部材８３０は、中間歯付き部材８４０の底歯８４６及び底部突起とかみ合う上部スロット８３６及び突起８３８を有する。底部スロット８３２及び突起８３４に対する上部スロット８３６及び突起８３８の部材８３０における９０度回転のために、第１の３部材８２０、８３０、及び８４０は、Ｕジョイントを形成する。スロット８３２及び８３６とかみ合う歯８２２及び８４６は、そのＵジョイントをねじる傾向を有するトルクに耐える。部材８２０及び８３０を通過する３つの腱（図示せず。）は、部材８４０に付着し、且つ、部材８２０に対する部材８４０の傾斜における両自由度を制御することができる。具体的には、スロット付き部材８３０の上部突起８３８によって定められる傾斜軸の周りの正味トルクでそれらの腱が部材８４０を引っ張る場合、部材８４０の底歯８４６は、部材８３０の上部スロット８３６とかみ合い、その傾斜軸周りの回転のための１：１のギア比による部材８４０及び８３０のギア動作をもたらす。スロット付き部材８３０の底部突起８３４によって定められる傾斜軸の周りの正味トルクでそれらの腱が部材８４０を引っ張る場合、スロット８３６及び突起８３８との歯８４６及び突起８４８のかみ合いは、その加えられたトルクに応じて部材８４０及び８３０が１つのユニットとして動くように、その正味トルクに応じた相対運動を防止する。部材８３０のスロット８３２は、部材８２０の歯８２２とかみ合い、突起８３４によって定められる傾斜軸の周りの回転のための１：１のギア比による、部材８２０に対する部材８４０及び８３０のギア動作をもたらす。
【００３６】
同様に、３つのＵジョイントが、手首機構８００において、エクステンション８５０の左に提供される。それらのＵジョイントのそれぞれは、部材８２０又は８４０の間に挟まれる部材８３０に対応する。エクステンション８５０は、端部材８２０の角運動の範囲に応じた比較的大きな空間的動作範囲を提供するために、端部材８２０に結合する。２つの端部材８２０の間のスロット付き部材８３０で形成される最後のＵジョイントは、エクステンション８５０を用いて実現される大きい動作範囲の端における追加的な角度及び位置の制御をもたらし得る。図８はまた、最後のＵジョイント又は最後の端部材８２０に取り付けられるツールの制御のためにエクステンション８５０を通る腱をガイドするガイド８５５を示す。
【００３７】
比較的大きい歯８２２を含む機構８００のような構造の利点は、比較的大きいロールトルクを支持する能力にある。図６の機構６００で用いられるような混合サイクロイド面は、約５ｍｍの直径を有する機器を用いる（レーザー切開又は吸引潅注のような）簡単な外科的作業の際に遭遇するトルクに耐え得る。しかしながら、より大きなグリップ力をかけるツールによる外科的作業は、特に約５ｍｍ未満の直径の小さい機器では、機構８００における歯８２２によってより良好に支持され得るより大きなトルクを引き起こす傾向にある。図８におけるようなギア構造無しで図６におけるような荷重負担サイクロイド面を用いることの相対的な利点は、それらの歯を省くことが荷重負担面のためのより大きな領域を許容し、コンパクトなジョイントがより大きな荷重を支持できるようにする点にある。
【００３８】
上述の本発明の実施例は、多くの従来型手首機構に優る多くの利点をもたらす。例えば、凹状面は、運動学的連鎖におけるより多くの関節を可能にし、或いは、より固い関節のための高荷重を可能にする低接触応力をもたらし得る。さらに、開示された実施例は、ピンタイプの関節で実現可能なものよりもコンパクトとなり得る構造における、隔たりを維持しながらのギア動作を実現することができ、手首内のルーメンのためのより大きな空間を可能にする。その関節のコンパクト特性は、外科的ロボットに関する現実的な空間における交差軸（Ｕジョイント）タイプの設計を可能にする。このことはまた、ツールの全体長さを低減させ、且つ／或いは、機器の動作範囲を増大させることもできる。Ｕジョイント配置はまた、制御システム及び外科医のトレーニングにおいて有利となり得る対称的な作業空間をもたらす。（ＩＤからＯＤの）曲線の融合は、傾斜接触に起因するスリップ及び並進に抗する関節を創出する。また、それらの特徴のコンパクトなサイズは、スリップ及び並進に抗するために複数組の関節が連続するように用いられるのを可能にする。混合サイクロイド面又は非混合サイクロイド面を用いて形成されるＵジョイントは、コンパクトな構造のための交差する傾斜軸を備えるように、或いは、より大きな中央ルーメンのためのより大きな領域をもたらす積層構造を備えるように形成され得る。
【００３９】
図１２は、上述のような手首構造を含む医療機器を用いることができるロボット制御によるシステム１２００の例を示す。システム１２００は、例えば、Intuitive  Surgical,  Inc.製のda  Vinci（登録商標）Surgical  Systemであり、複数の医療機器１２１０を含み、それらのそれぞれは、ロボットマニピュレータアーム１２３０のドッキングポート１２２０に取り付けられる。機器１２１０は、ドッキングポート１２２０に取り付けられる機器１２１０が、特定の医療処理のために選択され得るように、或いは、所要の臨床的機能を提供するために医療処置中に変更され得るように、交換可能に形成され得る。機器１２１０のそれぞれは、概して、エンドエフェクタ１２１２、メインチューブ１２１４、及びバックエンド機構１２１６を含む。機器１２１０のエンドエフェクタ１２１２は、鉗子若しくは捕捉器具、持針器、外科用メス、焼灼器、又は、はさみ等のツールを含み、医療用手首機構は、それらのツールを操作するためにエンドエフェクタ１２１２に組み込まれ得る。或いは、上述の手首機構は、メインチューブ１２１４で用いられてもよい。使用の際、１又は複数のエンドエフェクタ１２１２とメインチューブ１２１４の遠位部分とが、患者の体内の作業部位でエンドエフェクタ１２１２を位置付けるために、１又は複数の小切開又は自然開口部を通じて挿入され得る。ドッキングポート１２２０は、概して、バックエンド機構１２１６からメインチューブ１２１４を通って伸び、機器１２１０の手首機構及びツールに接続する腱の操作のための機械力を提供する駆動モータを含む。コンピュータシステム１２５０は、医療処置を施すためにシステム１２００を用いる外科医又は他の医療関係者による指示の通りに機器１２１０を操作するために、必要に応じてその駆動モータを制御するソフトウェアを実行する。
【００４０】
本発明は、特定の実施例を参照して説明されたが、その説明は、本発明の適用のほんの１例であり、限定的に取られてはならない。記載された実施例における特徴の種々の変更及び組み合わせは、添付の請求項によって定められる本発明の範囲内に属する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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